Development and application of the global rainbow refractometry for the study of heat and mass transfers in a spray
Développement et application de la réfractométrie arc-en-ciel global pour l'étude des transferts massique et thermique dans un spray
Résumé
During the course of an hypothetical severe accident in a Pressure Water Reactor (PWR), hydrogen produced by the degradation and oxidation of the reactor core and high pressure water vapor can be released into the reactor containment. The repartition of the hydrogen in the reactor containment is then dependent of the forced (mixed or natural) convection flows which will be established. This type of accidental scenario will lead then to the pressurization of the reactor containment and to a potential risk of hydrogen combustion, able to prejudice to the integrity of the reactor. One of the means of PWR safety, called spraying, consists to release cold water sprays in the reactor containment, with the aim to make its internal pressure and its temperature decrease, on account of the condensation of water vapor on the injected water droplets. Moreover, the spraying leads to a mixing of the gaseous mixture containing air, water vapor and hydrogen, and contributes to make the hydrogen local concentration decreased. The TOSQAN experiment, developed at the IRSN, allows to reproduce the thermal-hydraulic conditions which represent accidental sequences able to happen in a PWR. In the frame of the current program consecrated to the spraying study, an innovating optical technique has been implemented on the TOSQAN experiment to finely characterize the mass and heat transfers between a spray and the surrounding atmosphere. This work gives into details the development of the global rainbow technique which allows to measure, in a non intrusive way, the temperature of the droplets during their fall. This technique has been coupled with others optical diagnoses such as the spontaneous Raman diffusion spectrometry, the PIV (Particle Image Velocimetry) and the implementation imagery, to respectively measure the water vapor parts as well as the velocities and the droplets sizes. The obtained experimental results have led to a global and local analysis of the interaction between the spraying droplets and the air/vapor mixture. This analysis reveals the physical phenomena happening during the spraying, that is to say the water vapor condensation on the droplets and their evaporation. Moreover, the coupling of the different techniques allows to validate the model of mass and heat transfers introduced in the ACACIA code.
Lors d’un hypothétique accident grave dans un Réacteur nucléaire à Eau Pressurisée (REP), de l’hydrogène produit par la dégradation et l’oxydation du cœur du réacteur et de la vapeur d’eau à haute pression peuvent être libérés dans l’enceinte de confinement du réacteur. La répartition de l’hydrogène dans cette enceinte est alors dépendante des écoulements de convection forcée, mixte ou naturelle, qui vont s’établir. Ce type de scénario accidentel conduirait donc à la pressurisation de l’enceinte de confinement et à un risque potentiel de combustion de l’hydrogène, pouvant nuire à l’intégrité du bâtiment réacteur. Un des moyens de sauvegarde du REP, dénommé aspersion, consiste à déclencher des pulvérisations d’eau froide dans l’enceinte de confinement, dans le but de faire baisser sa pression interne et sa température, grâce à la condensation de la vapeur d’eau sur les gouttes d’eau injectées. De plus, l’aspersion assure un brassage du mélange gazeux constitué d’air, de vapeur d’eau et d’hydrogène, ce qui contribue à faire baisser la concentration locale en hydrogène. L’expérience TOSQAN, développée par l’IRSN, permet de reproduire des conditions thermo-hydrauliques représentatives de séquences accidentelles pouvant être rencontrées dans un REP. Dans le cadre du programme actuel dédié à l’étude de l’aspersion, une technique optique innovante a été mise en œuvre sur l’expérience TOSQAN pour caractériser finement les transferts massique et thermique entre un spray et l’atmosphère environnante. La thèse détaille le développement et la qualification de la technique arc-en-ciel global qui permet de mesurer, de manière non-intrusive, la température des gouttes au cours de leur chute. Cette technique a été couplée à d’autres diagnostics optiques tels que la spectrométrie par diffusion Raman spontanée, la PIV (Particle Image Velocimetry) et l’imagerie en défaut de mise au point, pour mesurer respectivement les fractions de vapeur d'eau ainsi que les vitesses et les tailles des gouttes. Les résultats issus de ces campagnes d’essais ont conduit à une analyse globale et locale de l’interaction entre les gouttes d’aspersion et le mélange air/vapeur. Cette analyse permet de mettre en évidence les phénomènes physiques mis en jeu dans l’aspersion, à savoir la condensation de la vapeur sur les gouttes et leur évaporation. De plus, le couplage des différentes techniques permet de valider le modèle de transferts massique et thermique implanté dans le code ACACIA.